防止张掖城市湿地周边地区土壤盐渍化的地下水临界深度确定

赵荣昌,巴建文,秦晓燕,马小泉,刘振华,田辽西

(甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院,甘肃 张掖 734000)

防止张掖城市湿地周边地区土壤盐渍化的地下水临界深度确定

赵荣昌,巴建文,秦晓燕,马小泉,刘振华,田辽西

(甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院,甘肃 张掖 734000)

针对张掖北郊湿地区土壤盐渍化严重的实际情况,利用经验公式估算法和实测数据分析法研究和确定了张掖湿地区土壤盐渍化地下水临界深度值为 2.9 m,并讨论临界深度的确定对于防治土壤盐渍化和湿地周边地区生态保护的意义。

张掖城市湿地;土壤盐渍化;地下水临界深度

我国现有盐渍化土壤 0.17×108hm2,近 1/3的灌区土壤存在盐渍化问题[1]。甘肃省的盐渍化土壤主要分布在河西走廊,尤以张掖、酒泉和武威地区最为严重。截止 1996年,全省重度盐渍化土壤对生态环境损害造成的经济损失至少 140亿元(1996年币值),土壤盐渍化严重地制约了我省经济和生态环境的可持续发展[2]。张掖市平原区南北高、中间低的地貌格局,以及降水的垂直分布特征和气候干燥的特点,容易使盐分在地势低洼的土壤中积累,促进土地盐渍化的发育。

土壤盐渍化是指土壤层中可溶盐含量向增高方向发展成为盐渍土的过程。潜水埋深浅小,在强烈的蒸发蒸腾作用下,土壤及包气带蒸发失水,可通过毛细带源源不断地得到潜水水量和所含盐分的补给,持续的蒸发可使土壤不断积盐。若降水和地表水下渗量较小,难以在土壤层中形成有效的脱盐过程,土壤中的盐分含量就会越来越高,最终发育成盐渍土。

由此可见,浅埋的地下水位和强烈的蒸发作用是形成土壤盐渍化的动力条件。土壤盐渍化的主要影响因素有地下水位埋深、包气带岩性及结构、地下水含盐量等。

“地下水临界深度”于 1931年由原苏联土壤科学家波勒诺夫针对土壤次生盐渍化问题提出,现已成为土壤改良学中的重要概念。关于地下水临界深度学术界至今仍没有一个统一的定义,但有一个共识就是“既不引起土壤严重积盐,又不危害作物生长的最小地下水埋藏深度”,称之为“临界深度”。[3][4][5]本文根据张掖市北郊湿地的有关实测资料,对该区的地下水临界深度进行了探讨,以期为改良该湿地周边业已存在的土壤盐渍化现象和湿地的生态可持续发展提供科学依据。

1 区域概述

张掖城市湿地保护区东起张火路、西至黑河主河道西岸,南北分别以城区北环路、兰新铁路为界,总面积51.39 km2。研究区属北温带大陆性干旱气候,具有降雨稀少、蒸发强烈、昼夜温差大、日照时间长、四季分明等气候特点。年平均降水量128.2mm,蒸发量 2020.2mm。降水多集中于 6～9月。

湿地西南部黑河滩一带,岩性为单一砂砾卵石层,城区以南地带表层是灰黄色亚砂土或亚粘土,厚度 1～3m,下部为大厚度的砂砾卵石层,城区以北为上部为亚粘土、亚砂土,砂砾卵石层中夹有多层砂及亚粘土互层,砂层单层厚度多大于10m。

盆地内蕴藏着丰富的松散岩类孔隙水。南部山前洪积扇顶部水位埋深大于 200 m,含水层由粗颗粒的砂砾卵石组成;至扇中地带,水位埋深 150～50m,含水层中含泥质渐多,及扇缘和细土平原南部,水位埋深 50～10 m,含水层颗粒渐细,由单一的潜水层渐变为多层的潜水 -承压水含水综合体;城区北部 -黑河、山丹河沿岸地带水位埋深小于 3m,沟壑和洼地内,有成片泉水出露,形成常年性积水湿地以及盐碱湿地、草甸湿地。

地下水主要接受湿地区以南的地下径流侧向补给、其次为湿地内黑河河道入渗补给及灌溉渠系、田间水入渗补给等。湿地区表层潜水则主要受渠系、田间灌溉水的入渗补给。

2 地下水临界深度的计算与确定

2.1 经验公式估算法

当潜水埋藏不深,毛细带上缘离地面较近时,毛细水在强烈蒸发作用下由液态转为气态进入大气,而盐分则残留在包气带中。潜水源源不断的通过毛细作用上升供给,使得蒸发不断继续,土壤表层盐分不断的积累。这一过程俗称“水去盐留”。一次大的灌溉或降水的入渗流会携带土壤盐分下渗,使包气带获得一段脱盐过程。之后土壤水分运动转为蒸发,继续前面的积盐过程。通过上述水盐运动的描述可以看出:土壤易发生盐渍化地区的地下水位需要人工控制,水位过深会影响植被生长,过浅则会导致土壤次生盐渍化。一般以零通量面最大发育深度再加上毛细管上升高度为宜。一般砂性土地下水位为 3m左右,粘性土为 5 m左右。

地下水临界深度影响因素主要有气候、土壤(特别是土壤的毛管性能)、水文地质(特别是地下水的矿化度)和人为措施四个方面。一般来说,蒸降比越大,地下水矿化度越高,地下水临界深度就越大;壤质土壤地下水临界深度比粘质土壤和砂质土壤地下水临界深度大;表层结构良好、耕作管理精细的土壤,临界深度较小。国内外关于地下水临界深度的确定方法很多,比如田间调查法和毛细管上升高度法等。其中以毛细管上升高度法应用较为广泛。

根据文献[6]中介绍的方法,地下水临界深度与毛细管上升高度和土层安全超高有关。其计算公式如下:

式中,Hk为地下水临界深度(m);Hr为毛细管上升高度(m);△为安全超高(m)。

安全超高一般采用经验值:当矿化度大于 10 g/L时,△取 0.5～0.6m;矿化度小于 10 g/L时,△取 0.2m。[7]

毛管水的驱动力是毛管力.毛管力指毛管中的液态水因为受到表面张力作用所承受的吸持力。土壤毛细管上升高度取决与土壤的空隙大小,包气带的岩性相关。张掖湿地研究区绝大部分地区地下水矿化度为 0.5～1.0 g/L,0～2m包气带岩性以壤土、砂壤土为主。根据已完成的工作可知此条件下毛细管上升高度分别为 2～4m和 1.5～2.5m(表 1)。

表1 土壤质地与其相关毛细上升高度

根据实际情况,本研究区地下水矿化度小于 10 g/L,安全超高△取 0.2m,岩性以壤土和砂壤土为主,毛细管上升高度(H r)取 2.5m。

根据公式(1)计算得地下水临界深度:

Hk=Hr+△=2.5m+0.2m=2.7m

由此确定本区地下水临界深度的经验公式估算值为2.7m。

2.2 实测数据分析法

2.2.1 盐渍土类型划分

一般以单位土体中易溶盐的含量来评价土壤盐渍化的程度。通常以 100 cm和 30 cm土层中平均全盐量进行划分,本项研究中的数据以表层土为主,故以 30 cm土层的平均全盐量来划分盐渍化程度。根据每千克土体中全盐量的平均值,将土壤划分为非盐渍土、盐渍土、轻盐土、中盐土、重盐土和特盐土 6级(表 2)[8]。

表2 盐渍土类型划分

2.2.2 实测数据分析

由湿地范围内所测定的采样点的全盐量分析可知:当地下水埋深大于 3m时土壤一般不发生盐渍化,只有在少数地势低洼处因积水的浓缩作用而导致的表层土壤轻度盐渍化。根据已做勘察工作数据选取典型采样点,用典型采样点的表层土全盐量和水位埋深数据作散点图(图 1)。

图1 表层土全盐量与水位埋深关系

从图中趋势曲线中可以看出,水位越浅,表层土全盐量越大;反之,水位埋深越大,土的全盐量越小。水位埋深和表层土全盐量趋势线的关系式是:

式中 H表示地下水水位埋深,W是表层土的平均全盐量。取盐渍土临界全盐量 W=4 g/kg,对应的水位埋深H≈2.9m。从图中的趋势线可以看出,当地下水埋深大于2.9 m,土壤全盐量小于 4 g/kg,土质为非盐渍土;水位埋深在 0.8m至 2.9m时,土壤全盐量 4～20g/kg,土质变为盐渍化土壤;当地下水位埋深小于 0.8 m时,土壤全盐量大于20 g/kg,土质盐渍化程度加剧。因此,地下水埋深 2.9 m是土壤盐渍化与否形成的临界点,是土壤是否形成盐渍化土的地下水临界深度。

2.3 地下水临界深度的确定

根据经验估算法确定为 2.7m,实测数据分析法推测为2.9 m。为安全计取二者中的较大值,即 2.9 m作为张掖城市湿地的地下水临界深度。该值的确定对 防止湿地土壤次生盐渍化、维持湿地生态环境良性循环有积极意义。

3 确定地下水临界深度的意义

3.1 改善湿地周边地区水循环条件,防治土壤次生盐渍化

确定地下水临界深度可以有效的防止水盐沿毛细管上升,从而大大降低包气带的含盐量,使表层土壤的全盐量降低,以防治土壤盐渍化。

3.2 有利于维持湿地规模,调节区域气候

确定地下水临界深度可以使湿地区土壤进一步改良,这对改善湿地区的植物生长环境,维持湿地规模有积极的作用;还可以利用湿地调蓄大量水分,通过植被蒸腾蒸发,把水分源源不断地输回大气中,增加空气湿度,改善区域小范围气候。

3.3 有利于保护湿地区内及周边工程设施

确定的地下水临界深度大于湿地区冻土层深度,可以抑制大量水分进入冬季土壤浅部的冰土层,有利于控制春季土壤返盐、减缓道路翻浆以及防治水位过高对建筑物的损坏。

[1]石玉林.西北地区土地荒漠化与水土资源利用研究.北京:科学出版杜,2004.

[2]鲁春霞.甘肃省土壤盐渍化及其对生态环境的损害评估[J],自然灾害学报,2001:99-102.

[3]郭元裕.农田水利学[M].北京:中国水利水电出版社,1997:65一67,89一92.

[4]张明灶.土壤学与农作学[M].北京:中国水利水电出版社,1994:45-50.

[5]方生,陈秀玲.防治灌区土壤盐碱化与水资源开发利用[J].水利规划与设计,1997(4):23一 27.

[6]羊锦忠,李凤岭,郝孝文,等.土壤积盐与地下水的关系[J].水利学报,1965,6(2):74一 80.

[7]王葆芳,杨晓晖,江泽平.引黄灌区水资源利用与土壤盐渍化防治[J].干早区研究,2004,21(2):139一 143.

[8]陆景岗.土壤地质学[M].北京:地质出版社,1997.

Determ ine the critical depth of groundw ater in the city wetlands of Zhangye

ZHAO Rong-chang,BA Jian-wen,QIN Xiao-yan,MA Xiao-quan,LIU Zhen-hua,TIAN Liao-xi
(Institute of Hydrologic and Engineering geologic Survey,Gansu Province Bureau of Geology and Minera l survey,Zhangye,Gansu 734000,China)

For the serious soil salinization situation in wetland areas on the northern outskirts of Zhangye,through the measured data and reference the paststudy in some other areas,identified the critical depth of groundwater value in Zhangye wetland areas is 2.9m,and then discussed the significance of a critical dep th to determine for p revention and control of soil salinization,rationaluse of water resources ecologically sustainable of wetland area.

the city wetlands of Zhangye;soil salinization;critical dep th of groundwater

P642.15

B

1004-1184(2011)01-0034-02

2010-09-01

赵荣昌(1987-),男,甘肃永登人,助理工程师,主要从事水文地质、环境地质工作。